作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2021-1-14
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好工具引发科研兴趣

 

■张宇宁

笔者发现,有不少本科生对于科研经常持一种观望态度,错误地以为只有到了大四已修习足够的课程方能开展,因而错过了很多很好的科研训练机会。事实上,对本科生来说,在科学研究的过程中,可以多辟新径,比如引入工具是进行科研创新的重要途径之一。在此建议科研积极性很高但感觉所掌握的理论知识有限的同学,不妨从高速摄影中体会一下科研的乐趣。

高速摄像机是一种能够以超过每秒250帧的帧速率捕获运动图像的设备。它用于将快速移动的物体作为照片图像记录到存储介质上。录制后,存储在媒体上的图像可以用于后续的详细分析。

高速摄像机能帮助科学家研究许多之前无法了解的现象和细节,比如蜜蜂飞行过程中翅膀的行为、子弹在空气中的运动轨迹、材料受到冲击瞬间的动态变形等,从而得到许多新的发现。值得一提的是,部分高端高速摄像机的帧速率可达万亿量级。

而且高速摄像机广泛应用在各个领域。

例如,在汽车安全领域,高速摄像机可用于捕捉车辆碰撞试验过程中的车辆变形及其对人体的冲击过程,以弥补人眼和普通相机的不足,从而清晰地展示碰撞过程中的微观细节,像汽车动态变形过程、车辆对人体的冲击力度和角度、碰撞发生时玻璃飞溅方向、安全气囊的点爆过程等。

高速摄影数据可帮助企业优化车辆主体结构,有针对性地开发行车安全装置,制定安全规则和警示等。

在体育运动领域,高速摄像机可实现运动细节的精细捕捉以提高成绩。具体而言,首先通过高速摄像机捕捉运动员进行训练时的画面,比如跑步运动中抬腿的高度和摆臂的角度。然后教练对这些画面进行仔细观察并分析之前被忽视的运动状态和动作细节。必要时,可以借助计算机建立运动模型,精准分析人体运动时的速度、加速度、肌肉状态、姿势等各项参数,从而有效地对体育训练进行指导。也因此可以深入研究各类运动的特点,找到提升方向,促进运动项目整体的发展。

在生物学领域,人们一直不知道蜜蜂是如何用“娇小”的翅膀带动身躯灵巧飞行的。因为在飞行时,蜜蜂翅膀高频振动,人眼或普通相机难以捕捉蜜蜂翅膀单次振动的画面。

早期,部分科学家猜测,蜜蜂飞行原理与飞机类似。他们认为,蜜蜂翅膀上下摆动,并形成一定的倾斜角度。当气流流经翅膀上下表面时,上表面流速大于下表面,使得上表面压力小于下表面,从而形成向上的升力。遗憾的是,依据此假设根据蜜蜂的翅膀等参数条件开展的相关计算结果显示,此种飞行方式带来的升力并不足以平衡蜜蜂的自重。

高速摄像机对揭示蜜蜂飞行机理起到至关重要的作用。在对飞行中的蜜蜂进行画面捕捉后,再将画面逐帧慢放,然后对蜜蜂翅膀摆动角度、幅度等参数进行分析,蜜蜂飞行的“秘密”就这样被揭开了。

科学家惊讶地发现,在飞行过程中,蜜蜂的翅膀并不是简单地上下振动,而是呈现“8”字形轨迹。而且,高频振动使得在蜜蜂翅膀的不同部位出现了不同方向的涡流,这些涡流产生了向上的升力和向其他方向的推力,从而帮助蜜蜂自如、快速地飞行。蜜蜂翅膀涡流的发现为微型飞行器的设计与发明提供了新的路径。

所见即所得,高速摄像机的性能优越,对数据分析等能力的要求相对较低。一般情况下,本科生无需对通过高速摄影获得的图片进行过多的加工和处理便可以开展后续的思考和分析工作。

另外,高速摄像机功能强大,界面操作规范简单,本科生不需要太多相关专业知识便可以上手操作。而较低的使用门槛有利于调动低年级本科生的科研积极性。

http://blog.sciencenet.cn/u/upflyzhang

《中国科学报》 (2021-01-14 第8版 博客)
 
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